【原创】微纪录片之遥控电动滑板设计
9915209122013/01/29极客DIY IP:江苏
                                                                                                               滑板成品图片.jpg
      遥控电动滑板设计(部分台词)
      在名侦探柯南动画片中。柯南有一辆阿笠博士发明的以太阳能为动力的滑板。滑板上装有一个强劲的引擎。该引擎的动力主要依靠太阳能电池,但日落后,便失去动力。这是个不小的缺点。经过博士改良后,便能够用电池补充电力。即使是太阳下山后,也能行动自如。后来,发现电动滑板在淘宝有售,价格贵的吓人,基本都是国外品牌。后来发现优酷有一段电动滑板介绍视频。它行驶距离可达6英里,最高时速每小时20英里,还有随时停车功能。
       这次遥控电动滑板的制作过程陆陆续续历经半年,原先采用的是一个250w,24伏的直流电机,后来发现体积和重量巨大,接着实验了一个100w的电机,体积还是让人受不了。没办法继续缩小体积,最后采用两个80w的直流电机。接着加上自己设计的电机驱动器和无线遥控器,就是现在的样子了。
今年,2013 世界末日?我,大二(业余专科),我重新拍摄了这次制作/电动滑板/的全过程。前段时间/我发布了一个制作视频,不是很详细。当时我在朋友的帮助下/用51单片机实现控制,第一次设计成品电路板,测试发现/有很多设计缺陷。在学校期间设计的电路板没做过成品板,之后出了很多问题,才认识到实践的重要性。做技术讲究真材实料,后来我重新设计了控制板。采用stm32单片机/作为主控芯片,性能大大提高。
        由于我和朋友就制作了两辆电动滑板。可以说是超级diy的限量版。觉得也没有什么商业价值,就不打算出售整机了。当然,喜欢diy的朋友可以仿制了。因为采用半开源的方式发布,前提是你要有强大的电子和机械基础。我会在一个论坛上公布资料,包括原理图和和机械图纸。不过我觉得能仿制出来的也是高手。请尊重个人劳动成果。
接着我在网上搜索资料。我就仔细看了几遍老外的视频。其中找到了很多信息,第一,那是普通滑板,是加长型的,露轮的。我在淘宝搜索,有,很贵,500块左右。第二,那是直流无刷电机,就是车模,船模用的。价格在200元左右,而且是一边一个,加上驱动器超过800块。第三,也是比较重要的信息,那是同步带传动,看过一个日本人做的,是齿轮传动的,缺点很多。齿轮箱不是那么简单做,还有就是齿轮难找,容易进尘土,噪音大。而用同步带就好多了。看完后我就发挥一下中国的独有特色——中国化一下嘛!
    既然diy,那就一切要简单。我在一家公司实习,这边条件也容许我捣鼓。我就设计方案啦。用什么电机,怎么控制,用什么电池,一系列的问题。经过仔细思考,如果用无刷直流电机,驱动器是要自己做的,或者买,一个字贵!直流有刷电机,就是体积大,功率不大,经过几天搜索,终于在淘宝找到了一款直流电机。体积在我的控制范围之内,价格也便宜。之后就要思考,要有大约200瓦的输出功率,用什么类型的电池好。当然电瓶车用的锂电池好了,也贵啊。由于我以前搞了两组24伏,4安时的电池。我把它们拆散,自己做了一个24伏6安时的电池组。由于原来就是电池组,电池厂商就给电池分好容了,就是性能差不多的在一起,还配有保护板。我网购了塑料壳,说道这个塑料壳可找累死我了。要宽度,长度,还有厚度刚刚好,把电池能放进去。我用单节电池比划计算了好久才选到。我把电池拆开,用热熔胶粘起来。要留出控制板的空间。电池是解决了。
        查找资料,我用的是AD6.9电路设计软件。之后根据原理图设计PCB图。在这里解释一下电机驱动原理。直流电机驱动采用脉宽调制技术,在一定的频率下。控制高电平与低电平的时间实现调速。电子刹车,电子刹车就是关闭下桥臂的驱动,开启上桥臂。使电机出于90%左右短路,这样电机发的电回流进电机,形成阻碍电流,使之软刹车。
有人问我PCB在哪做的,我的回答是,网上找的。
        电路板的这次设计预留了很多通讯接口,蓝牙,将来用手机控制。433M无线串口,现在的遥控器控制。还有2.4G的无线。
由于传动问题是个大问题,我不得不解说一下传动的基础原理。电动自行车电机功率一般在300w到500w之间。经过摩擦力和和匀速运动推导,实际平均功率在150w左右。也就是说滑板带动一个60kg的人需要150w-200w功率,当然在匀速下。我采用的是圆弧齿同步轮,12齿比上48齿。就是1:4。意思就是说,同步轮离地还有14.5mm。已经危险值了。再说淘宝只能找到48齿的。或者就是60几齿的,不是想要多大的都有。当然采用那种3m的圆弧齿也是有原因的。它的齿距是3mm,算是比较小的了。电机理论速度9000转每分钟,轮子直径75mm。设定时速20km/h,电机转速每分钟就是5662转。当然速比越大越好,主要是提高电机扭矩。可是,48齿的同步轮直径已经46mm了。要是谁知道我把滑板原来直径50mm的轮子换到直径75mm的原因,那你的物理力学学的不错哦
        我做过三种电机驱动的滑板,看前面的视频就知道了。第一种就是这种大电机的。体积大,笨重。这是我实验的第一款滑板。后来换小了,独轮驱动。还是不咋地,转弯时没动力。网上的电动滑板大多是单电机独轮驱动。发现,两边动力不平衡。我要做双轮驱动。我网购了普通滑板,直流电机,同步轮,和乱七八糟的配件。原先没画3d图,用cad画了重要部件。装配中发现大量问题。后来学会了用SolidWorks画。爽多了,可以即是发现问题。画好3d就要加工出来。Diy,当然是省钱第一,公司有设备干嘛不用呢?钻床,攻丝机,切割机,磨光机,雕刻机,能用的全用上。由于公司以研发为主,没有大型加工设备,凑合着用。当然过程很艰辛,手破了好几次,误操作用坏了很所耗材。做坏了重新做!不花钱就是挣钱。当然了,耗材自己买。就一个电机架就设计了好多款,要么尺寸不对,要么材料没选对,要么,很多。
         机械结构是改了又改,不是加工不出来,就是发现缺陷。其中最有创新的就是独立电机悬挂。我不知道其他地方还有。我就是从实践中总结,设计出来的。由于滑板桥架要加长,是用螺纹和缺氧胶粘起来的,我把电机架和电机直接固定在上面。有时滑板掉落,电机的重量所产生的惯性就像个扳手。会把加长轴拧下来,就会造成松动。电机中的永磁体也会震动脱落。后来就想办法设计了一个电机机独立悬挂机构。跌落时弹簧会拉着电机,吸收动能。电机始终贴着板面。电机旋转时,可以自动紧贴板面。当经过到石头跌落时可以保护电机,吸收惯性。当转弯时,板面倾斜,电机自动下拉。给滑板轮子加那种大脚车悬挂还是比较难的。电机架用雕刻机铣出来的,经过了很多软件,3d到cad到文泰雕刻到雕刻机软件。
    机械和控制部分基本上同时进行的,原来用的是电动车现成的控制器,做了一个有线控制手柄,可以玩了。后来看书,找资料。自己设计了控制板,和遥控器。当然是无线遥控的了。我的朋友给了我很大帮助,我单片机软件不是很会,它帮我写了两个板子的控制程序。进过测试发现了很多问题,还是我基础太差了,电路板发热很严重。信号接受不良等,全是毛病,直接重新设计。原先用的是51单片机。后来我重新设计电路和板子,变的更小,更简单可靠。改进了控制芯片。用了意法半导体的stm32单片机,32位的处理速度,相当强大。我好趁这次机会好好学习单片机。这块板子其中有电子刹车功能,就是刹车时,关闭电源,使电机短路,让电机产生的电流阻碍电机的运动。还有电机驱动方式这是核心技术。电路板的这次设计预留了很多通讯模块,蓝牙,将来用手机控制,433m无线,用设计的遥控器控制,还有2.4G的无线,也可以用。电路板基本上采用贴片元件,在保证效果的同时减小体积。由于电路板打样了10块,加上朋友分享。我可以出手5块左右,售完为止。元件自己配,做做电机试验可以。
为了测试滑板电路的性能,我还专门做了个测试平台,当然了,材料就地取材。在仓库找了很多废旧零件,之后设计了这个测试平台。上面加有一个直流电机,我可以调整电机的带载程度。从而测试滑板各个指标,什么电流啦,电池压降啦,发热等。可以在原地检测参数从而检测电路板。做完这个电动滑板我要好好研究学问了,电子机械方面的,还要工作
    结束语——有梦想不要被现实打到,理论指导实践,实践总结成理论。独立思考,敢想敢做。留给2022年的我和我身边的人,畅想十年后的科技现代化。
单片机.jpg
底面.jpg
电池盒.jpg
电机架.jpg
电路板.jpg
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姜先生 qq991520915(学生)作者
王先生 qq516380635(暂无女友,也工作两年)承接电子工程项目,仪器开发
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